Trådløse og mobile nettverk

Hvorfor er trådløst så vanskelig?

To problemer som ofte blandes sammen, men som egentlig er forskjellige.

Det er lett å glemme hvor radikalt verden har endret seg. I 2019 var det ti ganger flere mobilabonnement enn fasttelefoner, og fem ganger flere mobilbredbåndsforbindelser enn fastlinjebredbånd. For de fleste mennesker i verden i dag er internett trådløst. Likevel, når vi lærer om datakommunikasjon, starter vi nesten alltid med kabler. Det er fordi kabler er enkle: en ledning fra A til B, et signal som ikke endrer seg særlig på veien, ingen som plutselig flytter på seg.

Trådløst gir oss to nye, distinkte utfordringer som er verdt å skille fra hverandre med en gang:

Et viktig poeng: trådløst betyr ikke automatisk mobilt. En smart-TV som henger på WiFi i stua di er trådløs, men aldri mobil. Et stykke industri-IoT-utstyr på en oljeplattform er trådløst, men spikret fast. Omvendt er et nettbrett mobilt selv når det er koblet til via en USB-kabel — du kan bære rundt på det. Vi trenger derfor å løse de to problemene uavhengig, selv om de oftest opptrer sammen.

I dette kapittelet handler det først og fremst om utfordring 1 — hvordan trådløse linker fungerer, hvordan WiFi koordinerer mange enheter på samme frekvens, og hvordan mobilnett (4G/5G) bygger en arkitektur rundt det at brukerne hele tiden flytter på seg.

Byggesteinene

Fire deler som dukker opp i nesten ethvert trådløst system, fra hjemme-WiFi til 5G.

Før vi går inn i protokollene må vi være enige om navnene på tingene. Det finnes fire ord som dukker opp om og om igjen:

Trådløs vert (wireless host)

En enhet som kjører applikasjoner — laptop, smarttelefon, IoT-sensor, smart-kjøleskap. Det er klienten i tradisjonell forstand. Den kan stå stille eller bevege seg; ordet "host" sier ingenting om mobilitet.

Basestasjon

En basestasjon er broen mellom det trådløse og det kablede. Den er typisk koblet til et kablet nettverk på den ene siden, og snakker radio med vertene innenfor sitt dekningsområde på den andre. Den fungerer som en relé: tar pakker fra det kablede nettet og sender dem ut på radio, og motsatt vei. WiFi-aksesspunktet i taket hjemme er en basestasjon. Det samme er mobilmasten på toppen av blokka. Begge gjør samme jobb, bare på forskjellig skala.

Trådløs link

Selve radioforbindelsen mellom verten og basestasjonen. Linkene varierer enormt i hastighet, rekkevidde og frekvensbånd — fra Bluetooth som rekker noen meter med 2 Mbps, til 5G som teoretisk kan nå 10 Gbps på korte avstander. En viktig fellesnevner: alle trådløse linker er delt medium, så vi trenger en multippeltilgangsprotokoll for å koordinere hvem som får sende når.

Infrastrukturen bakom

Det "kablede nettverket bak" som basestasjonene er koblet til. For et hjemme-WiFi er det bredbåndsruteren og fiberkabelen. For 4G er det et helt eget nettverk av rutere, gateways og databaser som vi straks kommer tilbake til.

Et utvalg av trådløse linker

Det er nyttig å ha en mental modell av hvor de forskjellige standardene plasserer seg i landskapet av rekkevidde og hastighet. Tabellen under er en veldig grov sortering:

Med eller uten infrastruktur

To dimensjoner deler trådløse nett inn i fire familier.

Når vi prøver å rydde opp i jungelen av trådløse teknologier, hjelper det å spørre om to ting: (1) finnes det en basestasjon, og (2) trenger pakkene å hoppe gjennom flere noder for å nå målet? Disse to ja/nei-spørsmålene gir oss fire ruter:

Det aller meste vi møter i dagliglivet ligger i det øverste venstre hjørnet — ett hopp, med infrastruktur. Det er den enkleste varianten, og det er den hele resten av kapittelet handler om.

Hva gjør en trådløs link fundamentalt annerledes?

Tre fysiske fenomener som ikke finnes på en kabel.

Hvis en kabel er en stille gang der du roper til naboen og hører et tydelig svar tilbake, så er en trådløs link mer som et trangt rom på en bråkete restaurant. Stemmen din blir svakere jo lengre unna mottakeren sitter. Andre snakker samtidig på samme frekvens. Og lyden kan komme ekko-aktig tilbake fra veggene. Tre fenomener — signaltap, interferens og flerveispropagering — gjør at selv en enkel punkt-til-punkt-radiokobling er vanskeligere enn en tilsvarende kabel.

1. Signaltap (path loss)

Et radiosignal blir svakere når det reiser gjennom luft, vegger, kropper og møbler. I åpent rom dempes signaleffekten omtrent med kvadratet av avstanden — dobler du avstanden, blir signalet en fjerdedel så sterkt. Inne i et hus med betongvegger er dempingen mye verre. Det er derfor WiFi-signalet ofte er dødt to rom unna ruteren.

2. Interferens fra andre kilder

Mange enheter deler de samme frekvensbåndene. 2,4 GHz-båndet brukes ikke bare av WiFi, men også av Bluetooth, mikrobølgeovner, babymonitorer og enkelte trådløse mus. Naboens WiFi på samme kanal blir også interferens for ditt nettverk. Hver av disse kildene legger til "støy" som mottakeren må prøve å gjette riktig signal gjennom.

3. Flerveispropagering (multipath)

Et radiosignal går ikke bare i rett linje. Det reflekteres av vegger, gulv, biler og bygninger, og kommer derfor fram til mottakeren flere ganger via forskjellige veier — alle med litt forskjellig forsinkelse. Resultatet er at signalbølgene legger seg oppå hverandre og kan både forsterke og dempe hverandre, avhengig av om de er i fase eller ikke. Dette gir uforutsigbare "døde flekker" som kan flytte seg når noen åpner en dør.

SNR, BER og rate-tilpasning

Resultatet av alt dette er at vi må snakke om signal i forhold til støy: SNR (Signal-to-Noise Ratio), vanligvis i desibel. Jo høyere SNR, jo lettere er det for mottakeren å hente ut riktig bit-strøm fra signalet. Lav SNR betyr høyere BER (Bit Error Rate) — flere bits blir feiltolket.

Her er det viktige innsiktet: vi kan velge hvor robust vi vil gjøre signalet. Senderen kan velge en moduleringsmetode som pakker mange bits inn i hvert symbol (f.eks. QAM256, som gir 8 Mbps), eller en mer konservativ metode (BPSK, som bare gir 1 Mbps men tåler mye lavere SNR uten å feile). Dette kompromisset — høy hastighet vs. robusthet — er hjertet av rate-tilpasning: når SNR faller fordi du går lengre fra ruteren, bytter senderen automatisk til en lavere men mer robust modulasjon. Det er derfor WiFi-hastigheten din ikke bare "kobler fra" når du går vekk, men gradvis blir tregere først.

Dra slideren over for å se hvordan SNR, valgt modulasjon og effektiv hastighet endres med avstanden. Verdiene er en forenklet modell — virkelige systemer har mange flere trinn — men idéen er den samme.

Skjulte terminaler og fading

To problemer som bare oppstår når flere noder snakker samtidig — og som "lytt før du sender" ikke kan løse alene.

Når vi har bare én sender og én mottaker, er trådløst egentlig håndterbart. Det er når flere noder skal dele samme medium at det blir interessant. Vi har allerede sett dette problemet for kablede nettverk (Ethernet, kapittel 6), men trådløst har et par ekstra varianter som er verdt å skjønne grundig.

Skjult terminal-problemet

Tenk deg tre noder: A, B og C. B sitter i midten. A og B kan høre hverandre fint. B og C kan også høre hverandre. Men mellom A og C er det et fjell, en betongvegg, eller bare for stor avstand — så A og C kan ikke høre hverandre i det hele tatt.

Hvis A og C nå begge bestemmer seg for å sende til B samtidig, vil de ikke oppdage at de gjør det. Begge "lytter på linja", begge hører at det er stille (fordi den andre er usynlig for dem), og begge sender. Resultatet er en kollisjon ved B — men hverken A eller C vet at det har skjedd, fordi de ikke kan høre hverandres signaler. Dette er det klassiske skjult terminal-problemet, og det betyr at "lytt før du sender" (CSMA) ikke er nok i en trådløs verden.

Signalfading

Den andre varianten ligner litt, men har en annen årsak. Tenk deg tre noder på rad — A, B, C — uten noe fjell mellom. Avstanden er bare så stor at A's signal er sterkt nok til å nå B men har dempet seg til ingenting før det når C, og motsatt for C. Resultatet er det samme: A og C "ser" ikke hverandre, og kan sende samtidig uten å vite det. Begge signalene kolliderer ved B i midten.

Begge problemene har samme konsekvens: vi kan ikke stole på "lytt før du sender"-strategien alene. Vi trenger noe annet, og det er der CSMA/CA og RTS/CTS-mekanismen i WiFi kommer inn.

WiFi: 802.11 i detalj

Den dominerende standarden for trådløse lokalnett — én familie, mange generasjoner.

IEEE 802.11 har vært den åpenbare vinneren blant standarder for trådløse lokalnett siden årtusenskiftet. Det er ikke fordi den er teknisk perfekt — den har en del rare hjørner, som vi snart skal se — men fordi den er åpen, billig og god nok. Hver ny generasjon (b, g, n, ac, ax) har holdt seg bakoverkompatibel og hevet hastigheten med en størrelsesorden eller to, og bygd videre på samme grunnleggende arkitektur.

Arkitekturen: BSS, AP og infrastrukturmodus

Den grunnleggende byggesteinen i et WiFi-nett heter Basic Service Set (BSS), eller bare "celle" på vanlig norsk. En BSS består av et aksesspunkt (AP) — basestasjonen — og de trådløse vertene som har assosiert seg med dette aksesspunktet. AP-en er igjen koblet til en svitsj eller ruter som leder ut til Internett. Et hjemme-WiFi har som regel én BSS. Et større kontorlandskap har mange BSS-er — én per AP — som tilsammen dekker bygget.

I tillegg til denne infrastruktur-modusen finnes det en ad hoc-modus der vertene snakker direkte med hverandre uten noe AP. Det er sjelden brukt i praksis, så vi fokuserer på infrastruktur-modus.

Kanaler og frekvenser

WiFi-spekteret er delt opp i kanaler på forskjellige frekvenser. I 2,4 GHz-båndet finnes det 11–14 kanaler (avhengig av land), i 5 GHz-båndet en god del flere. Når du setter opp et aksesspunkt, velger administratoren (eller AP-en automatisk) hvilken kanal det skal sende på. Problemet er at naboens AP kan ha valgt samme kanal — og da må de to nettverkene dele luftrommet, med interferens som resultat.

Assosiering: hvordan blir en enhet med i et nett?

Når du tar med deg laptopen din inn i et bygg med WiFi, må den finne et AP og knytte seg til det. Dette skjer i tre eller fire steg, og det finnes to varianter:

Etter assosieringen kommer som regel autentisering (passordet ditt verifiseres) og deretter DHCP for å få en IP-adresse i AP-ens subnett. Først nå er du faktisk på Internett.

Rate-tilpasning

En viktig avansert funksjon i 802.11 er rate adaptation — WiFi-senderen bytter automatisk mellom forskjellige modulasjonsmetoder avhengig av signalforholdene. Når du sitter rett ved ruteren, bruker den en aggressiv modulasjon (f.eks. QAM256) som gir høy hastighet. Når du går lengre unna og SNR faller, skifter den ned til en mer robust men tregere modulasjon. Dette er grunnen til at WiFi-hastigheten gradvis synker jo lengre du er fra AP-en, i stedet for å bare kutte ut brått. Vi beskrev fysikken bak dette i seksjon 04 — slideren der illustrerer sammenhengen mellom avstand, SNR og valgt modulasjon.

CSMA/CA: kollisjons­unngåelse

Hvorfor 802.11 ikke kan oppdage kollisjoner, og hva det gjør i stedet.

I Ethernet (kabel) bruker vi CSMA/CD: lytt før du sender, og hvis du oppdager en kollisjon mens du sender, slutt umiddelbart og prøv igjen senere. Dette fungerer fordi en Ethernet-NIC kan lytte og sende samtidig på samme ledning, og dermed sammenligne det den sender med det som faktisk er på linja.

I trådløst er dette praktisk talt umulig av to grunner:

1. Ditt eget signal er enormt sterkt sammenlignet med signaler du mottar fra andre. Når du sender, "døver" du din egen mottaker fullstendig. Det er som å rope i et rom og samtidig prøve å høre om noen andre roper — du hører bare deg selv.
2. Selv om du kunne lytte mens du sendte, ville du fortsatt ikke fange opp alle kollisjoner. Skjult terminal-problemet betyr at to noder kan kollidere ved en tredje uten at noen av dem merker noe.

Konklusjonen er enkel: 802.11 kan ikke detektere kollisjoner, så det må unngå dem i utgangspunktet. Derfor heter det CSMA/CA — Collision Avoidance, ikke Collision Detection.

Hvordan CSMA/CA fungerer

Algoritmen følger noen få regler. Når en node vil sende:

Legg merke til at ACK-en er viktig her. På kabel kan vi vanligvis stole på at en sendt ramme også blir mottatt korrekt — Ethernet har ingen link-lags-ACK. På trådløst er det altfor mange ting som kan gå galt (signalfading, skjulte terminaler, interferens), så hver ramme må bekreftes eksplisitt.

RTS/CTS — den valgfrie reservasjonsmekanismen

For å løse skjult terminal-problemet enda bedre, har 802.11 en valgfri mekanisme der senderen først reserverer kanalen med små kontrollrammer:

Hovedidéen er at RTS- og CTS-rammene er korte, så sjansen for kollisjon mellom dem er liten. Når en CTS sendes ut fra AP-en, hører alle nodene innen rekkevidde det — også de skjulte. Alle noder som mottar en CTS adressert til noen andre vet at de må holde seg stille i en bestemt periode, og dermed unngås kollisjonen som ellers ville oppstått fra en skjult terminal. Mekanismen brukes typisk bare for store rammer der det er verdt overhead-en.

Rammeformatet og de fire adressene

Hvorfor en WiFi-ramme har plass til fire MAC-adresser når Ethernet bare trenger to.

Når du ser på et Ethernet-rammeformat har det to MAC-adresser: kilde og destinasjon. Slutt. En 802.11-ramme har derimot fire adressefelter, og det er forvirrende ved første øyekast. Det er verdt å forstå hvorfor.

Hvorfor fire adresser?

Tenk på det enkleste tilfellet: vert H1 (på WiFi) skal sende en pakke ut på Internett. Pakken må gå H1 → AP → ruter R1 → Internett. På selve den trådløse hoppen er det tre relevante MAC-adresser:

• Adresse 1 — Mottaker av denne rammen: AP-ens MAC. Det er hvem som skal plukke opp rammen fra lufta.
• Adresse 2 — Sender av denne rammen: H1 sin MAC. Det er hvem som faktisk transmitterte den.
• Adresse 3 — Endelig destinasjon på det kablede nettet: R1 sin MAC. AP-en trenger denne for å vite hvem den skal videresende til etter at rammen kommer inn.
• Adresse 4: Brukes i ad hoc-modus og når to AP-er videresender til hverandre trådløst (WDS — Wireless Distribution System). I vanlig infrastrukturmodus er den tom.

Sekvensnummeret — viktigere enn du tror

I tillegg til de fire adressene har 802.11-rammen et sekvensnummer-felt. Hvorfor? Fordi ACK-mekanismen i CSMA/CA skaper et spesielt problem: hva skjer hvis senderen sender en ramme, mottakeren tar imot den og sender ACK, men ACK-en går tapt? Senderen får ingen bekreftelse og sender rammen på nytt — men mottakeren har allerede levert den opp til nettverkslaget. Uten sekvensnummer ville mottakeren ikke kunne skille en retransmisjon fra en helt ny ramme, og ville levert duplikat-data oppover i stakken. Sekvensnummeret lar mottakeren gjenkjenne og forkaste slike duplikater.

Når AP-en mottar 802.11-rammen, "pakker den ut" innholdet (IP-pakken) og lager en ny Ethernet-ramme. I Ethernet-rammen er kilden H1 sin MAC og destinasjonen R1 sin MAC — fordi når man sender på det kablede nettet trenger man ikke noen mellomliggende AP-adresse. AP-en fungerer altså som en bro mellom de to lenkeprotokollene.

Når verten flytter seg mellom AP-er

Hva skjer egentlig i bakgrunnen når du går fra ett WiFi-rom til et annet?

Tenk deg at H1 — laptopen din — er assosiert med AP-1 i ett rom. Du går inn i et annet rom hvor AP-2 har bedre dekning. Hva må skje for at TCP-forbindelsen din skal overleve byttet?

Det enkle scenariet er mobilitet innenfor samme IP-subnett. Hvis begge AP-ene henger på samme svitsj og dermed er på samme subnett, kan H1 beholde IP-adressen sin. Den eneste endringen som må skje er at svitsjen må lære at H1 nå er nådd via en annen port. Heldigvis gjør svitsjen dette helt automatisk — det er den samme self-learning-mekanismen vi så i kapittel 6: når svitsjen ser en ramme komme fra H1 via den nye porten, oppdaterer den tabellen sin og videresender heretter trafikk til H1 dit.

Selve roamingen — det at H1 deassosierer fra AP-1 og assosierer med AP-2 — håndteres på 802.11-laget, og er usynlig for IP-stakken over. TCP-forbindelsen merker ingenting.

Det vanskelige tilfellet er når du skal flytte deg mellom forskjellige IP-subnett, eller verre, mellom forskjellige operatørnett. Her trengs det ekte mobilitetshåndtering — og det er nettopp det som ligger som en kjernetjeneste i mobilnett (4G/5G), som vi skal se på nå.

Strømsparing: en liten, men viktig detalj

WiFi-noder bruker mye strøm på radioen. For batteridrevne enheter (telefoner, IoT) er det viktig å kunne sove. Mekanismen er enkel: noden sier til AP-en at den skal sove til neste beacon-ramme. AP-en bufrer eventuelle pakker som kommer i mellomtiden. Beacon-rammene fra AP-en inneholder en liste over hvilke sovende noder som har ventende trafikk — så når en node våkner og sjekker beacon, vet den umiddelbart om den må holde seg våken eller kan sove videre.

4G LTE: en helt egen arkitektur

Hvordan et globalt mobilnett ser ut innenfra — og hvorfor det er så annerledes enn WiFi.

WiFi er enkelt fordi det stort sett bare bryr seg om ett aksesspunkt om gangen og overlater alt det vanskelige til Internett bak. Mobilnett kan ikke gjøre det. De må håndtere milliarder av brukere som hele tiden flytter seg mellom celler, mellom nettverk, mellom land — og samtidig ta betalt riktig, sørge for at samtaler ikke knekker, og garantere at en samtale i Norge faktisk når en mottaker i Brasil. Resultatet er en arkitektur som er mye mer ambisiøs enn WiFi.

Likheter og forskjeller fra det kablede Internett

Hovedkomponentene i 4G LTE

4G LTE består av to hoveddeler: radio access network (alt mellom telefonen og basestasjonen) og Evolved Packet Core (EPC) — selve mobiloperatørens kjernenett, som er helt IP-basert. Inni EPC finnes en håndfull spesialiserte komponenter du må kunne navnene på:

Skille mellom data- og kontrollplan

Et viktig arkitektonisk grep i LTE er at data og kontroll går forskjellige veier. Kontrollplanet (autentisering, mobilitetshåndtering, oppsett av forbindelser) bruker MME og HSS. Dataplanet (selve nettleser-trafikken, video-streaming, etc.) går aldri innom MME — det går rett gjennom basestasjon → S-GW → P-GW → Internett. Dette er den samme idéen som SDN: en sentralisert kontroller som forteller bryterne hva de skal gjøre, mens selve pakkene flyter forbi i full hastighet.

Tunneler hele veien ned

Hvorfor LTE pakker IP-pakker inni andre IP-pakker, og hva det har med mobilitet å gjøre.

Det første hoppet — fra telefonen til basestasjonen — er trådløst, og bruker LTE sin egen protokollstabel. Det viktige er hva som skjer derifra og videre inn i operatørens kjernenett. Dette er den mest interessante (og forvirrende) delen av LTE.

Linklags-protokollene på første hopp

Mellom telefonen og basestasjonen er det et helt sett med protokollag som ikke finnes på vanlig Internett. Fra topp og nedover:

• Packet Data Convergence Protocol (PDCP): komprimerer IP-headere og krypterer brukerdataene. Headerkomprimering er viktig fordi en TCP/IP-header ofte er 40 bytes — like stor som en kort talepakke, så uten komprimering ville mye av kapasiteten gått til overhead.
• Radio Link Control (RLC): deler opp pakkene i mindre fragmenter som passer til radiotidslukene, og håndterer pålitelig overføring (retransmisjoner) på linklaget.
• Medium Access Control (MAC): avgjør hvilken radiotidsluke som skal brukes når. I motsetning til WiFi er det her ikke noe "lytt før du sender" — basestasjonen tildeler tidsluker til hver enhet etter en planleggingsalgoritme (som ikke er standardisert, hver operatør kan bruke sin egen).

Selve fysikkmodulasjonen heter OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Idéen er å dele opp et stort frekvensbånd i mange smalere, "ortogonale" delkanaler som ikke interfererer med hverandre. Hver aktiv enhet får tildelt to eller flere 0,5 ms tidsluker over 12 frekvenser. Kombinasjonen av FDM og TDM gjør at mange enheter kan dele samme celle uten å trampe på hverandre.

Tunneling: hvorfor pakker ligger inni pakker

Her kommer den virkelig elegante delen. Når en datapakke fra telefonen din kommer inn til basestasjonen, blir den ikke bare videresendt rett til S-GW. I stedet pakkes den inn i en ny IP-pakke, ved hjelp av en protokoll som heter GTP (GPRS Tunneling Protocol), og denne nye pakken sendes inn i en UDP-datagram til S-GW. S-GW pakker ut GTP-en, lager en ny GTP-tunnel videre til P-GW, og der pakkes pakken endelig ut og sendes ut på vanlig Internett.

Hvorfor all denne pakkingen? Svaret er mobilitet. Hvis telefonen din hopper fra én basestasjon til en annen, så trenger ikke S-GW eller P-GW å vite eller bry seg — bare endepunktene på GTP-tunnelen oppdateres. Telefonens IP-adresse forblir den samme hele tiden (den er gitt ut av P-GW), og alle pakker fortsetter å flyte gjennom samme P-GW. Det eneste som endrer seg er hvilken basestasjon som er den nedre enden av tunnelen. Dette er hele grunnen til at du kan se en YouTube-video uten avbrudd mens du sitter på et tog som farer forbi titalls celler.

Hvordan telefonen finner et nett

Når telefonen slår seg på, må den finne en basestasjon å assosiere med. Det skjer omtrent slik:

1. Hver basestasjon kringkaster et primært synkroniseringssignal hvert 5. millisekund på alle frekvenser den støtter. Dette er som en fyrlykt — telefonen vet ikke ennå hva den finner, men den kan oppdage signalet.
2. Når telefonen finner et primært synkroniseringssignal, leter den etter et sekundært synkroniseringssignal på samme frekvens. Det forteller mer om basestasjonen — kanalbredde, konfigurasjon og hvilken operatør den tilhører.
3. Telefonen kan oppdage signaler fra flere basestasjoner — også fra forskjellige operatører — og velger den som passer best (typisk den fra hjemoperatøren, eller den med sterkest signal).
4. Etter valget kommer flere steg: autentisering med MME/HSS, oppsett av tilstand, etablering av tunneler. Først nå er telefonen klar til å sende ekte data.

Strømsparing: lett og dyp søvn

Akkurat som WiFi har LTE strømsparemekanismer. Etter noen hundre millisekunder uten trafikk går radioen i lett søvn og våkner periodisk for å sjekke om det er noe innkommende. Etter 5–10 sekunder med inaktivitet går den i dyp søvn, og kan til og med flytte seg mellom celler mens den sover. Når den våkner etter dyp søvn, må hele assosieringen reetableres — derfor merker du av og til en liten forsinkelse første gang du gjør noe på telefonen etter at den har ligget urørt en stund.

Roaming: hvordan gateway-er takler at du er i utlandet

Når du tar med telefonen til et annet land, er du ikke lenger i hjemmenettverket ditt. Du er fortsatt identifisert av SIM-kortet, og det forteller fortsatt hvilket nettverk som er hjemme. Det besøkte nettverket setter deg på sin egen P-GW (eller noen ganger ruter trafikken hjem først), og snakker med din hjemoperatørs HSS for å verifisere identiteten din og finne ut hvilke tjenester du har rett på. Det er denne mekanismen — sammen med interoperatør-avregning — som gjør at telefonen din "bare fungerer" når du går av flyet i Tokyo.

Hva er nytt med 5G?

Tre løfter, og det fysiske kompromisset bak dem.

5G ble markedsført som en revolusjon, og selv om mye av markedsføringen var støy, finnes det reelle forbedringer. De tre offisielle målene var: 10x høyere maks-bitrate enn 4G, 10x lavere latens, og 100x mer kapasitet per kvadratkilometer. Hvordan får man det til?

Nye frekvensbånd: FR1 og FR2

5G NR (New Radio) bruker to forskjellige typer frekvensbånd:

• FR1 (450 MHz – 6 GHz): et utvidet versjon av tradisjonelle mobilfrekvenser. Disse går langt og trenger gjennom vegger, men gir ikke noen dramatisk høyere hastighet enn 4G. Mesteparten av det vi kaller "5G" i Norge i dag bruker FR1.
• FR2 (24–52 GHz, "millimeter-bølger"): her er det den virkelig store båndbredden ligger, og det er disse frekvensene som gir opptil 10 Gbps. Men de har et stort problem: signalet tåler omtrent ingenting. En vegg, en regndråpe, en menneskekropp — alt blokkerer mmWave. Rekkevidden er typisk 10–100 meter.

MIMO og retningsstyrte antenner

For å få mer ut av et gitt frekvensspekter bruker 5G MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) i stor skala — flere antenner på både sender- og mottakersiden, som kan rette stråler i bestemte retninger og sende parallelle datastrømmer til forskjellige brukere samtidig. Dette krever sofistikert signalbehandling, men gir både høyere hastighet og mer kapasitet i samme celle.

Pico-celler og massiv utbygging

På grunn av at mmWave-signalet praktisk talt ikke når noen vei, krever ekte 5G-dekning massiv utbygging av små basestasjoner — såkalte "pico-celler" med dekningsradius på 10–100 meter. Det er nødvendig å plassere en på hvert gatehjørne, hver lyktestolpe, hvert bygg. Det er hovedgrunnen til at "ekte 5G" har vært tregt å rulle ut og er begrenset til tett bebygde områder med høyt brukspress.

Ikke bakoverkompatibel

5G NR er ikke bakoverkompatibel med 4G LTE på radiolaget. Operatørene driver derfor begge nettverkene parallelt, og telefonen velger automatisk hvilket den skal bruke avhengig av hvilke signaler den oppfatter og hva den skal gjøre. Innenfor kjernen finnes det også en ny arkitektur (5G Core, eller 5GC) som tar konseptet med data/kontroll-skille og microservices enda lenger enn EPC gjorde, men de samme grunnidéene gjelder fortsatt.